彈射式水下航行器發射裝置發射筒內徑對內彈道的影響

馬　輝

（中國船舶重工集團公司 第726研究所， 上海， 201108）

彈射式水下航行器發射裝置發射筒內徑對內彈道的影響

馬輝

（中國船舶重工集團公司 第726研究所， 上海， 201108）

為兼顧水下航行器發射裝置發射效率與裝置尺寸， 應設計合理的發射筒內徑。文中基于多對多交界面技術， 解決了帶孔壁面間無間隙滑移的仿真難題， 建立了耦合求解非定常流場和航行器、活塞運動的數值仿真模型。通過在Fluent軟件中的二次開發實現了彈射式水下航行器發射內彈道仿真， 并對不同發射筒內徑的發射裝置計算流場以及運動時歷曲線進行分析。仿真結果表明， 水下航行器發射裝置發射筒內徑在一定范圍內對發射效率影響呈顯著正相關， 隨著發射筒內徑增加， 其影響逐漸減弱， 且出筒效率趨于穩定。基于多對多交界面技術的水下航行器發射仿真是可靠的， 可為彈射式水下發射裝置設計提供參考。

水下航行器發射裝置； 彈射式； 內彈道； 多對多交界面技術

0　引言

水下航行器發射的動力式發射裝置主要分為渦輪泵式和彈射式［1］。其中， 渦輪泵式發射裝置［2-4］已有較多研究， 而彈射式發射裝置［5-6］的研究較少。彈射式發射裝置具有蓄能快、發射周期短、發射噪音小的優點， 因此在對航行器出筒速度要求不高的場合具有很大的應用價值。采用彈簧動力源的彈射式發射裝置通常采用開放式儲能筒結構， 由于發射筒壁與航行器的間隙大小對筒內補水效果具有較大影響， 因此， 合理設計發射筒內徑， 成為了影響出筒效率的關鍵因素之一。

在水下航行器發射的內彈道仿真方面， 國內外學者已開展了多項研究。對于不需要考慮流場細節的發射系統， 通常對發射裝置各環節采用理論或實驗的方法， 確定各環節的傳遞函數， 進而在MATLAB/Simulink環境下進行了仿真［7-8］。在水下航行器發射過程中， 通常彈體周圍的流場對彈體的作用力是彈體受力的主要成分， 不宜簡化處理， 而須采用計算流體力學（computational fluid dynamics， CFD）方法對流場加以精確計算。張孝芳［9］等采用CFD方法對液壓平衡式發射裝置中活塞的緩沖特性進行了研究， 但處理僅局限于2D， 且未考慮活塞與流體的耦合作用。

文中針對采用彈簧動力源的彈射式水下航行器發射裝置， 采用多對多的交界面技術解決了活塞、航行器以及筒壁間小間隙相對運動的難點，在Fluent軟件［10］的UDF中二次開發來控制活塞、航行器的耦合運動， 實現了內彈道的數值仿真，獲得了發射筒內徑對內彈道的影響， 為彈射式水下航行器發射裝置設計提供參考。

1　發射裝置建模

1.1建模優化

1） 物理模型

彈射式水下航行器發射裝置由上發射筒、活塞、彈簧、導軌組成。彈簧位于活塞正下方下處于預緊狀態， 航行器與導軌平行且垂直支撐于活塞上； 航行器發射時， 控制活塞的開關松開， 彈簧推動活塞以及航行器向上加速運動， 活塞推送一定距離后與航行器分離， 航行器繼續向上運動至出筒。水下航行器發射裝置如圖1所示。

圖1　水下航行器發射裝置結構簡圖Fig. 1　Structure of an underwater vehicle launcher

針對水下航行器發射裝置的特征， 做出相應簡化如下: a. 考慮計算模型的對稱性， 采用 1/4建模， 節約計算成本； b. 在航行器與活塞之間人為增加6 mm的小間隙， 保證航行器與活塞之間的網格一直存在， 使計算順利進行； c. 忽略彈簧以及導軌的體積； d. 由于模型中存在一些固有的小間隙通常以潤滑劑填充， 假定當間隙小于1 mm時，直接忽略該間隙， 假設物面重合并忽略摩擦力； e.忽略發射筒壁的厚度， 并按內徑大小建模。

2） 流體流動模型

對于文中研究水下航行器發射過程， 由于彈體發射并未出水， 因此， 可以采用不可壓的單相流計算模型進行計算。另外， 由于管內的流動雷諾數大約為 106量級， 管內流體處于湍流狀態，須采用湍流模型處理流體脈動速度。在張量記法下， 這里給出相應的流場控制方程

式中: u為流體速度；ν為流體粘度；ρ為流體密度；νt為渦粘滯系數， 取決于流動狀態； P定義為， κ為湍動能， p為流體壓力。為使方程封閉， 采用κω-SST兩方程模型。

3） 活塞及航行器力學模型

航行器水下彈射過程分為2個階段。初始階段活塞與航行器作為整體從零速度開始加速運動。受力方程如下

式中: k為彈簧的剛度系數； l為彈簧預壓縮長度； z為航行器的位移； FR為流體作用于航行器與活塞上的總阻力； Gdh為航行器與活塞水中的總質量；md為航行器在空氣中的質量； mh為活塞在空氣中的質量； a為整體的加速度。

當運動至某一時刻， 活塞加速度小于航行器，即航行器的速度開始大于活塞， 發生分離， 進入第 2階段。此時， 活塞與航行器單獨運動， 而其相互影響則通過流體作用的總阻力體現。分離后，航行器與活塞受力方程如下

式中: FRd為航行器受流體的總阻力； FRh為活塞受水的總阻力； Gd為航行器水中的重力； Gh為活塞在水中的重力； ad為航行器的加速度； ah為活塞的加速度。

1.2計算區域及網格劃分

依照前述假設， 計算坐標系以及選取計算區域如圖2所示。計算坐標系中心選取在航行器末端， z軸沿航行器軸線向上。航行器前方選取約4倍航行器長度的距離， 周向選取約 0.5倍航行器長度的距離以保證邊界截斷影響可以忽略。

圖2　計算流場區域示意圖Fig. 2　Schematic of calculating flow field region

考慮到航行器與活塞均為單方向的運動， 這里僅采用層鋪的動網格模式， 保證網格質量以及計算效率。由于發射裝置中涉及到多個物體的相對運動， 必須進行多區域劃分并采用多對多的交界面技術。區域劃分如圖3所示。

圖3　流場區域劃分示意圖Fig. 3　Schematic of dividing flow field region

圖3中數值標號處為設置的交界面， 其中1、2、3、6為多對多的交界面。在多對多的交界面設置下， 交界面有一邊為壁面或未定義邊界時則該部分邊界作壁面處理， 在交界面兩邊均為流場內域時則作為交界面傳遞信息， 這使得活塞壁與帶孔筒壁間的滑移處理十分簡便。在多區域劃分下的計算網格如圖4所示。整個計算域網格數約70萬， 并采用邊界層網格對裝置壁面加密， 經試算能保證較高的精度和計算效率。

圖4　計算網格劃分圖Fig. 4　Meshing for calculation

2　發射裝置內徑研究

2.1研究模型選取

對于水下發射裝置優化設計而言， 航行器的尺寸、航行器質量、彈簧的剛度、彈簧的預壓縮量等通常是不可改變， 而可優化的參數主要在于發射裝置的一些物理參數， 如發射筒內徑、筒壁開孔面積、開孔位置、開孔形狀以及活塞形狀等，其中發射筒內徑的大小作為影響筒內補水的主要因素， 必須優先加以研究。

為排除裝置筒壁上開孔等因素影響， 這里采用底部全開， 而側壁不開孔研究模型如圖 5所示。由于發射的水下航行器主體最大直徑為118 mm， 預期設計發射裝置發射筒直徑135 mm，考慮到實際設計范圍， 這里選取 130 mm、135 mm、140 mm、145 mm和150 mm 5組發射筒內徑作為研究對象， 同時設置 1組無筒壁的發射裝置作為發射筒內徑無窮大的極限設計參照。

圖5　內徑135 mm發射裝置模型圖Fig. 5　Launcher model with inner diameter of 135 mm

為研究發射裝置發射筒內徑對內彈道的影響，須保證裝置其他參數盡量一致， 選取模型的其他參數見表 1。選取活塞物理尺寸一致， 減少活塞的影響， 同時選取發射裝置底部全開以保證補水充足。

2.2數值仿真結果與分析

針對上述選取的發射裝置， 對應的數值仿真速度場如圖6所示。圖6給出了0.06 s航行器與活塞分離后的 6組模型的速度場云圖， 其中（a）D=130 mm； （b） D=135 mm； （c） D=140 mm； （d）D=145 mm； （e） D= 150 mm； （f） D=無窮。由速度場云圖可見， 隨著發射筒內徑變小， 航行器尾部流體顏色加深， 即流體速度變大， 壓力變小， 從而航行器前后壓力差越大， 所受到的阻力也越大。這些流場特性與實際情況相符， 證明文中數值仿真結果是可靠的， 相應地給出速度與位移的時歷曲線見圖7。由圖 7的速度曲線可見， 隨著發射筒內徑變小，航行器速度增加越慢， 而衰減卻越快， 這表明航行器在加速以及減速運動 2個階段所受的阻力均增加。由圖8的位移曲線可見， 隨著發射筒內徑的減小， 出筒時間增加， 當發射筒內徑減小至一定程度后， 出筒時間增加迅速， 甚至無法出筒。

表1　不同發射筒內徑模型相同參數Table 1　The same parameters of models with different tube inner diameter model

圖 6　t=0.06 s時不同內徑發射裝置速度云圖Fig. 6　Velocity contour of launchers with different inner diameters when t=0.06 s

圖7　不同發射筒內徑模型速度曲線Fig. 7　Velocity-time curves of models with different tube′s inner diameters

圖8　不同發射筒內徑模型位移曲線Fig. 8　Displacement-time curves of models with different tube′s inner diameters

表2給出了不同儲能筒開孔模型下的出筒速度時間表。其中， 無因次的內徑為發射筒內徑 D與航行器主體最大直徑Dm的比值。由表可見， 當發射筒內徑為130 mm時， 增加5 m內徑能將出筒速度提高145%， 而同樣的內徑增量在145 mm內徑時航行器出筒效率僅能提高 14%， 可見發射筒內徑的影響隨著內徑的增加而減弱。

由表2數據作圖， 并將數據點采用B樣條曲線擬合如圖9所示。其中橫坐標為無因次內徑， 縱坐標為出筒效率。出筒時間與出筒速度均隨無因次開孔直徑約呈雙曲型變化規律， 隨著發射筒內徑的增大， 出筒時間與出筒速度緩慢趨于穩定。

表2　不同發射筒內徑模型計算出筒效率Table 2　Calculated out-tube efficiency of models with different tube′s inner diameters

圖9　不同發射筒內徑模型出筒效率數據擬合圖Fig. 9　Data fitting curves of out-tube efficiency of models with different tube inner diameters

3　結束語

文中針對水下航行器發射裝置發射航行器出筒過程， 建模時考慮了流場中活塞與航行器的耦合作用， 使計算結果更為真實可信。同時采用了多對多的交界面技術， 僅需采用滑移以及層鋪的動網格即可完成數值仿真， 保證了物體運動時網格的質量。另外， 對彈射式水下發射裝置內徑的影響進行了相應研究， 并將內徑無因次化， 使結果具有普遍性， 為彈射式水下航行器發射裝置的研究設計提供了參考。

文中在研究發射筒內徑時， 僅考慮了活塞的幾何尺寸不變， 并未對保證活塞端面透水面積或透水面積比例一定的情況下進行發射筒內徑的研究。這些因素必然會使無因次內徑對出筒效率的影響曲線產生變動， 因此， 相關因素變化后的影響仍然有待后續進一步探討。

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（責任編輯: 許妍）

Influence of Tube′s Inner Diameter on Interior Trajectory for Underwater Vehicle Ejection Launcher

MA Hui
（The 726 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Shanghai 201108， China）

To balance launch efficiency and size of an underwater vehicle launcher and design proper inner diameter of the launching tube， the many-to-many interface scheme is adopt to overcome the simulation difficulty of gapless slipping between the walls with holes， and a simulation model for solving coupled unsteady flow field， piston and vehicle movement is built. Interior trajectory simulation with different tube′s inner diameters is accomplished by secondary development in software Fluent， and the calculated flow fields as well as the movement time history curve are analyzed. Simulation results reveal that the inner diameter of the tube shows obviously positive correlation with the launching efficiency within a certain scope， while the influence of the inner diameter gradually weakens as the inner diameter increases， and finally the out-tube efficiency tends to be stable. It is concluded that the simulation of underwater vehicle launcher based on many-to-many scheme is reliable， and may be applied to design of underwater vehicle ejection launcher.

underwater vehicle launcher； ejection mode； interior trajectory； many-to-many interface scheme

TJ 635； O315

A

1673-1948（2016）05-0396-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.015

2016-07-28；

2016-08-25.

馬 輝（1978-）， 女， 工程師， 主要從事水下總體技術及流體計算.